Транскрипция: принципы, стадии и созревание РНК

В Страстную пятницу 1960 года в Кембридже, в комнатах Сиднея Бреннера в Королевском колледже, шёл неформальный разговор. Бреннер, Фрэнсис Крик и французский генетик Франсуа Жакоб обсуждали странные результаты: после заражения бактерии фагом клетка начинала синтезировать белки фага, хотя новых рибосом не появлялось. По воспоминаниям участников, Бреннер и Крик поняли ответ почти одновременно: значит, рибосомы — лишь «станки», а программу для них приносит какая-то короткоживущая молекула, копия гена. Летом того же года Бреннер и Жакоб поехали в Калифорнийский технологический институт к Мэтью Мезельсону и за несколько недель доказали это опытом с тяжёлыми изотопами [1]. Так была открыта информационная РНК — посредник между геном и рибосомой, а процесс её синтеза на ДНК получил название транскрипции.

Это вторая статья серии о реализации наследственной информации (начало — «Матричный синтез и реализация наследственной информации»). В ней разобраны принципы транскрипции, которые требует знать кодификатор ЕГЭ, — комплементарность, антипараллельность и асимметричность, — устройство РНК-полимеразы, стадии процесса, особенности транскрипции у прокариот и эукариот и созревание РНК.

• 1. Что такое транскрипция
• 2. Как открыли информационную РНК
• 3. Что нужно для транскрипции
• 4. Принцип комплементарности
• 5. Принцип антипараллельности
• 6. Принцип асимметричности
• 7. Матричная и кодирующая цепи в задачах ЕГЭ
• 8. РНК-полимераза
• 9. Инициация: как фермент находит начало гена
• 10. Элонгация: синтез цепи
• 11. Терминация: где транскрипция останавливается
• 12. Как увидеть работающие гены
• 13. Три РНК-полимеразы эукариот
• 14. Транскрипция у прокариот
• 15. Мозаичные гены: открытие интронов
• 16. Созревание иРНК: кэп и поли(А)-хвост
• 17. Сплайсинг и сплайсосома
• 18. Интрон, который вырезает сам себя
• 19. Альтернативный сплайсинг: один ген — много белков
• 20. Когда сплайсинг ошибается: болезни и лекарства
• 21. Сколько РНК в клетке
• 22. Редактирование РНК
• 23. Выход иРНК из ядра и её судьба
• 24. Созревание рРНК и тРНК
• 25. Транскрипция в митохондриях и пластидах
• 26. Транскрипция у архей: ключ к происхождению эукариот
• 27. Как узнали, что РНК синтезируется в ядре
• 28. Транскриптом: что клетка переписывает
• 29. Вещества, подавляющие транскрипцию
• 30. Итог: путь от гена к готовой иРНК
• 31. Частые ошибки
• 32. Интересные факты
• 33. Частые вопросы
• 34. ЕГЭ
• 35. Для олимпиад
• 36. Задания с разбором
• Литература

1. Что такое транскрипция

Транскрипция (от латинского transcriptio — переписывание) — синтез молекулы РНК на матрице ДНК. Последовательность нуклеотидов определённого участка ДНК переписывается в последовательность нуклеотидов РНК — «тем же алфавитом», только вместо тимина в РНК стоит урацил. Название удачно: в языкознании транскрипция — запись слова другими буквами с сохранением его звучания, и при транскрипции гена информация остаётся на том же «языке» нуклеотидов, меняется лишь одна «буква» (Т на У) и сахар в составе нуклеотидов. Это первый этап реализации наследственной информации: сведения, записанные в гене, сначала копируются в РНК и лишь потом используются для синтеза белка [2].

При транскрипции образуются РНК всех видов:

• информационная (матричная) РНК — иРНК, мРНК: копия гена белка, матрица для трансляции;
• рибосомная РНК — рРНК: основа рибосом, она же катализирует образование пептидной связи;
• транспортная РНК — тРНК: доставляет аминокислоты к рибосоме;
• малые и регуляторные РНК: участвуют в созревании других РНК и в управлении работой генов.

Зачем клетке промежуточная копия, если можно было бы строить белок прямо по ДНК? Причин несколько. ДНК — хранимый оригинал «инструкции», и она остаётся в ядре защищённой, а в цитоплазму уходят рабочие копии. С одного гена можно снять много копий РНК и сразу запустить синтез большого количества белка — это усиливает сигнал гена. Наконец, РНК живёт недолго, и клетка может быстро прекратить синтез ненужного белка, просто перестав транскрибировать ген.

2. Как открыли информационную РНК

К концу 1950-х годов было известно, что белки синтезируются на рибосомах в цитоплазме, а ДНК находится в ядре. Как информация попадает от гена к рибосоме? Сначала думали, что каждая рибосома несёт свою РНК — копию одного гена: «один ген — одна рибосома — один белок». Но эта гипотеза плохо согласовалась с фактами: рибосомы были очень устойчивы и все одинаковы, а набор синтезируемых белков менялся быстро.

Решающий опыт Бреннер, Жакоб и Мезельсон поставили на кишечной палочке, заражённой бактериофагом T4. Бактерий выращивали на среде с тяжёлыми изотопами азота и углерода, так что все их рибосомы стали «тяжёлыми», а затем заражали фагом и переносили на лёгкую среду. Если бы для синтеза белков фага строились новые рибосомы, они были бы лёгкими. Ультрацентрифугирование показало: новые рибосомы не появляются, а новая РНК, синтезированная после заражения, связывается со старыми, тяжёлыми рибосомами [1]. Значит, рибосома — универсальная «машина», а информацию приносит короткоживущая РНК, копия гена. Её назвали информационной (в англоязычной литературе — messenger RNA, «РНК-посланник»). В том же номере журнала Nature вышла статья группы Джеймса Уотсона, пришедшей к тому же выводу другим путём.

Почти одновременно, в 1959–1960 годах, несколько лабораторий в США независимо обнаружили фермент, синтезирующий РНК на матрице ДНК, — РНК-полимеразу. Оставалось выяснить, как фермент находит начало гена, какую цепь копирует и где останавливается. Ответы на эти вопросы заняли следующие десятилетия.

3. Что нужно для транскрипции

Для транскрипции необходимы:

• матрица — участок одной из цепей ДНК;
• мономеры — четыре рибонуклеозидтрифосфата: АТФ, ГТФ, ЦТФ и УТФ;
• фермент — РНК-полимераза, а у эукариот ещё и белки — факторы транскрипции, помогающие ферменту найти начало гена;
• энергия — её дают сами мономеры: при присоединении каждого нуклеотида от него отщепляются два концевых фосфата (пирофосфат), и энергия их отщепления идёт на образование связи между нуклеотидами.

Обратите внимание: АТФ здесь не только источник энергии, но и строительный материал — адениловый нуклеотид РНК (подробнее об АТФ — в статье «АТФ и энергетика клетки»). Транскрипция похожа на репликацию, но различий между ними много.

4. Принцип комплементарности

Первый принцип транскрипции — комплементарность. Каждый нуклеотид матричной цепи ДНК образует водородные связи с одним определённым рибонуклеотидом, и только его РНК-полимераза присоединяет к растущей цепи. Поэтому последовательность РНК однозначно определяется последовательностью матрицы.

Почему в РНК урацил, а не тимин? Урацил отличается от тимина лишь отсутствием метильной группы и спаривается с аденином так же хорошо. Его синтез обходится клетке дешевле, а для короткоживущей РНК дополнительная надёжность тимина не нужна. В ДНК же тимин необходим: цитозин иногда самопроизвольно теряет аминогруппу и превращается в урацил, и ферменты репарации, встречая урацил в ДНК, сразу понимают, что это повреждение, и исправляют его. Будь в ДНК урацил «законным» нуклеотидом, такие повреждения нельзя было бы отличить.

5. Принцип антипараллельности

Второй принцип — антипараллельность: цепь РНК направлена противоположно матричной цепи ДНК. РНК-полимераза, как и все полимеразы, присоединяет новый нуклеотид только к 3′-концу растущей цепи, поэтому РНК растёт в направлении 5′ → 3′, а фермент движется вдоль матричной цепи от её 3′-конца к 5′-концу.

РНК-полимераза расплетает ДНК на коротком участке — около 12–14 пар нуклеотидов. Этот участок называют транскрипционным пузырём. Внутри пузыря растущая РНК на протяжении 8–9 нуклеотидов спарена с матричной цепью, образуя короткий гибрид ДНК–РНК. Дальше РНК отходит от матрицы и выходит из фермента через особый канал, а цепи ДНК позади фермента вновь соединяются в двойную спираль. Так пузырь «катится» вдоль гена: впереди фермента ДНК расплетается, позади — заплетается.

Движение фермента создаёт механическую проблему: впереди пузыря двойная спираль перекручивается сильнее, позади — раскручивается. Если бы напряжение не снималось, транскрипция вскоре остановилась бы. Его снимают ферменты топоизомеразы, которые временно разрезают цепь ДНК, дают ей провернуться и снова сшивают.

6. Принцип асимметричности

Третий принцип — асимметричность: для каждого гена матрицей служит только одна из двух цепей ДНК. Её называют матричной, или транскрибируемой. Вторая цепь для данного гена не считывается. Её последовательность совпадает с последовательностью синтезируемой РНК (с заменой тимина на урацил), поэтому её называют кодирующей, или смысловой. Название условно: сама кодирующая цепь не транскрибируется, но последовательность кодонов иРНК совпадает с её последовательностью, и поэтому ген принято записывать именно по ней.

Какая цепь станет матричной, определяет промотор. РНК-полимераза присоединяется к нему в строго определённой ориентации и может двигаться только в одну сторону — так, чтобы считывать цепь от 3′-конца к 5′-концу. Промоторы разных генов одной молекулы ДНК могут лежать на разных цепях и «смотреть» в разные стороны. Поэтому цепь, матричная для одного гена, для соседнего может быть кодирующей. «Матричная» и «кодирующая» — не постоянные свойства цепи, а её роль по отношению к конкретному гену.

Почему клетка не транскрибирует обе цепи гена? Две РНК, переписанные с обеих цепей, были бы комплементарны друг другу и слиплись бы в двуцепочечную молекулу, непригодную для трансляции. Более того, длинная двуцепочечная РНК в клетках животных воспринимается как признак вирусной инфекции и запускает защитные реакции, вплоть до остановки синтеза белка. Клетки используют это свойство и для регуляции: короткие РНК, комплементарные иРНК, — основа механизма РНК-интерференции, выключающего гены (подробнее — в статье «Регуляция генов у эукариот и клеточный гомеостаз»).

7. Матричная и кодирующая цепи в задачах ЕГЭ

В задачах линии 27 ЕГЭ условие обычно сообщает, какая цепь дана, или даёт возможность это установить. Правила простые:

• если дана матричная (транскрибируемая) цепь, иРНК строят по принципу комплементарности: А → У, Т → А, Г → Ц, Ц → Г;
• если дана кодирующая (смысловая) цепь, иРНК совпадает с ней, только Т заменяют на У;
• иРНК записывают от 5′-конца к 3′-концу и делят на кодоны начиная с 5′-конца (или со стартового кодона АУГ, если так сказано в условии);
• концы цепей важны: если матричная цепь записана как 5′-…-3′, иРНК, построенную под ней, нужно перевернуть, чтобы прочитать от 5′-конца.

Пример. Дан фрагмент матричной цепи: 5′-ТТАЦГГЦАТ-3′. Комплементарная иРНК, записанная под ней: 3′-ААУГЦЦГУА-5′. От 5′-конца: 5′-АУГЦЦГУАА-3′. Кодоны: АУГ, ЦЦГ, УАА — метионин, пролин, стоп. Подробно все типы задач разобраны в статье «Задачи на биосинтез белка».

8. РНК-полимераза

РНК-полимераза — крупный белковый комплекс (у бактерий он состоит из пяти-шести белковых цепей, а РНК-полимераза II эукариот — из двенадцати), по форме напоминающий клешню краба: между её «челюстями» проходит ДНК, а в глубине щели находится активный центр с ионом магния, где нуклеотиды соединяются в цепь. В отличие от ДНК-полимеразы, она сама расплетает ДНК, может начать цепь с первого нуклеотида без затравки и почти не исправляет своих ошибок — отсюда и более низкая точность.

У бактерий одна РНК-полимераза синтезирует все виды РНК. Её основная часть (кор-фермент) из нескольких субъединиц способна синтезировать РНК, но не умеет находить начало гена. Это делает дополнительная субъединица — сигма-фактор. В 1969 году Ричард Бёрджесс, Эндрю Треверс и коллеги обнаружили, что при очистке фермента от него отделяется белок, без которого полимераза транскрибирует ДНК беспорядочно, с любых мест; вернув белок, они восстановили правильный выбор начала [3]. У бактерии есть несколько разных сигма-факторов, каждый из которых узнаёт свою группу промоторов, — например, особый сигма-фактор включает гены защиты от перегрева. Смена сигма-фактора — один из способов переключать работу генов.

Трёхмерное строение эукариотической РНК-полимеразы II в 2001 году расшифровала группа Роджера Корнберга [4]; за это исследование Корнберг в 2006 году получил Нобелевскую премию по химии. Его отец, Артур Корнберг, получил Нобелевскую премию в 1959 году за открытие ДНК-полимеразы. Так одна семья изучила оба главных фермента матричного синтеза нуклеиновых кислот.

9. Инициация: как фермент находит начало гена

Транскрипцию делят на три стадии: инициацию, элонгацию и терминацию. На стадии инициации фермент должен найти начало гена среди миллионов пар нуклеотидов. Ориентиром служит промотор — последовательность нуклеотидов перед началом гена, к которой присоединяется РНК-полимераза.

У бактерий промоторы устроены удивительно просто. В 1975 году американский биохимик Дэвид Прибнов определил последовательность промоторов нескольких генов и заметил, что примерно за 10 нуклеотидов до точки начала транскрипции в них стоит похожий участок — ТАТААТ [5]. Его назвали боксом Прибнова, или участком −10. Второй консервативный участок, ТТГАЦА, находится примерно за 35 нуклеотидов до начала. Сигма-фактор узнаёт оба участка, и фермент садится на промотор в определённой ориентации. Чем ближе последовательность промотора к «идеальной», тем чаще с гена начинается транскрипция: так бактерия заранее «настраивает» силу работы каждого гена.

Участок −10 богат аденином и тимином неслучайно. Пары А–Т скреплены двумя водородными связями, а не тремя, и легче разъединяются. Именно здесь фермент расплетает ДНК и открывает доступ к матричной цепи.

У эукариот похожий участок — ТАТА-бокс — находится примерно за 25–30 нуклеотидов до начала многих генов, но РНК-полимераза II сама его не узнаёт. Сначала к промотору садятся белки — общие факторы транскрипции, — и лишь они привлекают фермент. Кроме того, на работу гена влияют регуляторные участки, которые могут находиться за тысячи нуклеотидов от гена, и десятки белков-регуляторов. Поэтому включение гена у эукариот — сложный многоступенчатый процесс, о котором речь пойдёт в статье о регуляции генов.

Присоединившись к промотору, фермент расплетает ДНК, образуя пузырь, и начинает синтез с первого нуклеотида, которому присваивают номер +1. Первые несколько нуклеотидов даются ферменту трудно: он часто «срывается» и выпускает короткие обрывки РНК длиной в несколько нуклеотидов. Лишь когда РНК удлинится примерно до десяти нуклеотидов, фермент покидает промотор (у бактерий при этом отделяется сигма-фактор) и переходит к элонгации.

10. Элонгация: синтез цепи

На стадии элонгации (от латинского elongatio — удлинение) РНК-полимераза движется вдоль матричной цепи, расплетая двойную спираль впереди и восстанавливая её позади, и присоединяет к 3′-концу РНК нуклеотид за нуклеотидом. Скорость элонгации — около 40–80 нуклеотидов в секунду у бактерий и около 20–70 у эукариот.

Один и тот же ген могут одновременно транскрибировать много молекул фермента, следующих друг за другом. Это красиво видно в электронном микроскопе. В 1969 году американские биологи Оскар Миллер и Барбара Битти выделили из ооцитов тритона ядрышки, осторожно расправили их на сетке микроскопа и получили снимки работающих генов рРНК [6]. Вдоль нити ДНК, как ветви, отходили сотни нитей РНК, и каждая следующая была длиннее предыдущей: короткие — у начала гена, где транскрипция только началась, длинные — у его конца. Снимки напоминали ёлочки, и их так и прозвали — «рождественские ёлки Миллера». По ним сразу видно и направление транскрипции, и то, что на одном гене одновременно работают десятки ферментов.

Иногда РНК-полимераза ошибается и включает неправильный нуклеотид. Тогда она может немного отступить назад и отрезать ошибочный конец РНК, а затем продолжить синтез. Эта «корректура» гораздо слабее, чем у ДНК-полимеразы, но немного повышает точность.

11. Терминация: где транскрипция останавливается

На стадии терминации (от латинского terminatio — окончание) фермент достигает терминатора — сигнала окончания, — и РНК вместе с ферментом отделяется от ДНК.

У бактерий есть два способа терминации. В первом терминатор кодирует участок РНК, богатый гуанином и цитозином, за которым следует цепочка урацилов. Богатый гуанином и цитозином участок РНК тут же сворачивается в прочную «шпильку» — двойную спираль самой с собой, — и она расшатывает фермент, а слабые пары А–У между цепочкой урацилов и ДНК легко разрываются, и РНК освобождается. Во втором способе на РНК садится особый белок — фактор Rho, — который движется вслед за полимеразой, догоняет её и снимает с ДНК.

У эукариот РНК-полимераза II проходит конец гена и продолжает транскрипцию ещё на сотни и тысячи нуклеотидов. Конец будущей иРНК определяется иначе: в РНК появляется сигнал ААУААА, по которому особые белки разрезают РНК чуть дальше этого сигнала и присоединяют к новому концу поли(А)-хвост. А РНК-полимеразу, которая продолжает синтезировать уже ненужную РНК, догоняет фермент-нуклеаза: она разрушает этот отрезанный «лишний» конец и снимает полимеразу с ДНК.

12. Как увидеть работающие гены

Транскрипцию можно увидеть даже в обычный световой микроскоп — если повезёт с объектом. Два знаменитых примера давно вошли в учебники цитологии.

Хромосомы типа «ламповых щёток». В крупных ооцитах земноводных и птиц, которые долго растут и запасают огромное количество РНК для будущего зародыша, хромосомы в профазе первого деления мейоза выглядят как ёршики для чистки ламповых стёкол: от оси хромосомы во все стороны отходят сотни пар петель. Каждая петля — участок ДНК, развёрнутый для транскрипции и покрытый растущими цепями РНК с белками. Петли толще с одного конца, чем с другого: там, где транскрипция только началась, РНК короткие, а у конца петли — длинные. Это та же «ёлочка» Миллера, только видимая без электронного микроскопа.

Пуфы политенных хромосом. В клетках слюнных желёз личинок двукрылых — плодовой мушки, комара-звонца — хромосомы много раз удваиваются без деления, и сотни копий лежат рядом, как волокна в канате. Такие гигантские (политенные) хромосомы видны в световой микроскоп и покрыты поперечными полосами. Некоторые полосы бывают вздуты — это пуфы, участки, где ДНК разрыхлена и активно транскрибируется. Немецкие биологи Ульрих Клевер и Петер Карлсон в 1960 году показали, что если ввести личинке гормон линьки экдизон, то через несколько минут в определённых местах появляются новые пуфы, а позже — следующие. Это было одно из первых наглядных доказательств того, что гормоны действуют, включая транскрипцию определённых генов.

13. Три РНК-полимеразы эукариот

У эукариот в ядре работают три разные РНК-полимеразы, и каждая синтезирует свои РНК.

Различия в чувствительности к α-аманитину — яду бледной поганки — помогли в своё время разделить три фермента и установить, какой из них что синтезирует. Митохондрии и пластиды имеют собственные РНК-полимеразы, похожие на ферменты бактерий или бактериофагов, — ещё одно свидетельство их бактериального происхождения.

РНК-полимераза I работает в ядрышке не случайно: ядрышко и есть место, где сосредоточены многочисленные копии генов рРНК и где из рРНК и белков собираются субъединицы рибосом. У человека гены рРНК повторены сотнями копий на пяти парах хромосом, и в активной клетке транскрибируются с огромной скоростью — на них приходится большая часть всей транскрипции клетки (подробнее — в статье «Ядро клетки»).

14. Транскрипция у прокариот

У бактерий и архей нет ядерной оболочки, и транскрипция идёт прямо в цитоплазме, в области нуклеоида. Поэтому она сопряжена с трансляцией: как только 5′-конец иРНК выходит из РНК-полимеразы, на него садится рибосома и начинает синтез белка, хотя конец иРНК ещё синтезируется. У кишечной палочки первая рибосома буквально следует по пятам за РНК-полимеразой.

Гены бактерий, как правило, не содержат интронов, и иРНК не нуждается в созревании. Часто иРНК бактерий содержит информацию о нескольких белках сразу: соседние гены, участвующие в одном процессе, транскрибируются с общего промотора в одну молекулу. Такую иРНК называют полицистронной, а группу генов с общим промотором и регуляторными участками — опероном (подробнее — в статье «Оперон»). При трансляции каждый белок синтезируется со своего участка начала.

иРНК бактерий живёт всего несколько минут. Это позволяет бактерии очень быстро перестраиваться: стоит прекратить транскрипцию гена, и через несколько минут его иРНК исчезнет, а с ней и синтез белка.

15. Мозаичные гены: открытие интронов

До 1977 года все были уверены, что ген — это непрерывный участок ДНК, точно соответствующий иРНК и белку: так было у бактерий. Летом 1977 года две группы — Филлипа Шарпа в Массачусетском технологическом институте и Ричарда Робертса в лаборатории Колд-Спринг-Харбор — изучали аденовирус — возбудитель острых респираторных заболеваний — и почти одновременно обнаружили невероятное [7, 8].

Они смешивали иРНК вируса с одноцепочечной ДНК его генов и рассматривали в электронный микроскоп, как РНК спаривается с ДНК. Если бы последовательности совпадали целиком, получился бы ровный двойной участок. Вместо этого из гибрида выпетливались длинные одноцепочечные петли ДНК, которым в иРНК не было соответствия. Значит, ген состоит из участков, которые попадают в иРНК, разделённых участками, которые из неё исчезают. Статья группы Робертса так и называлась: «Удивительное расположение последовательностей на 5′-концах иРНК аденовируса».

Вскоре выяснилось, что так устроено большинство генов эукариот. Участки, сохраняющиеся в зрелой иРНК, назвали экзонами, а вырезаемые вставки — интронами. Такие гены называют мозаичными. В 1993 году Шарп и Робертс получили Нобелевскую премию.

Масштабы поразительны. В среднем ген человека содержит около девяти интронов, и интроны обычно гораздо длиннее экзонов: на экзоны приходится лишь несколько процентов длины гена. Рекордсмен — ген дистрофина: 79 экзонов на 2,2 млн пар нуклеотидов, из которых в зрелую иРНК попадает менее одного процента.

16. Созревание иРНК: кэп и поли(А)-хвост

РНК-полимераза II переписывает ген целиком, вместе с интронами. Первичный продукт — пре-иРНК (предшественник иРНК) — для трансляции непригоден. Он проходит созревание, или процессинг, в ядре, и только после этого зрелая иРНК может покинуть ядро. Созревание включает три главных события, и все они начинаются ещё во время транскрипции.

1. Кэпирование. Когда РНК вырастает всего на 20–30 нуклеотидов, к её 5′-концу присоединяется кэп (от английского cap — шапочка) — изменённый гуаниловый нуклеотид (7-метилгуанозин), соединённый с РНК «задом наперёд», через три фосфата. Кэп защищает иРНК от ферментов, разрушающих РНК с конца, помогает её выходу из ядра и служит сигналом для рибосомы, с которого начинается трансляция.
2. Полиаденилирование. К 3′-концу, после разрезания по сигналу ААУААА, особый фермент присоединяет без всякой матрицы цепочку из 100–250 адениловых нуклеотидов — поли(А)-хвост. Он повышает устойчивость иРНК: в цитоплазме хвост постепенно укорачивается, и когда он становится слишком коротким, иРНК разрушается. Длина хвоста работает как «таймер» жизни молекулы.
3. Сплайсинг — вырезание интронов и сшивание экзонов (о нём — в следующем разделе).

Поли(А)-хвост оказался очень удобен для исследователей. Если пропустить смесь всех РНК клетки через колонку с короткими цепочками из тиминов, к ним прилипнут именно иРНК — благодаря своим хвостам. Так из клетки выделяют иРНК, чтобы узнать, какие гены в ней работают.

17. Сплайсинг и сплайсосома

Сплайсинг (от английского splice — сращивать концы каната или киноплёнки) — вырезание интронов из пре-иРНК и соединение экзонов друг с другом. Его ведёт сплайсосома — огромный комплекс из пяти малых ядерных РНК и почти двухсот белков. Малые РНК узнают границы интронов по принципу комплементарности: почти все интроны начинаются с нуклеотидов ГУ и заканчиваются нуклеотидами АГ, а внутри интрона есть ещё один важный участок с аденином. Сплайсосома сближает концы, интрон вырезается в виде петли, похожей на лассо, а экзоны сшиваются точно, без потери или лишнего нуклеотида: ошибка на один нуклеотид сдвинула бы рамку считывания и испортила бы весь белок.

Частицы, из которых собирается сплайсосома, в 1979–1980 годах изучили американские исследователи Майкл Лернер и Джоан Стейц, заметившие, что сыворотка больных волчанкой содержит антитела к неизвестным частицам из малых РНК и белков. Последовательность одной из этих РНК оказалась комплементарна границам интронов. Так аутоиммунная болезнь помогла раскрыть механизм сплайсинга.

Удивительно, что ключевые реакции разрезания и сшивания в сплайсосоме катализирует, по современным данным, не белок, а малая РНК вместе с ионами магния. Сплайсосома, как и рибосома, по сути — рибозим, обставленный белками.

18. Интрон, который вырезает сам себя

В 1982 году американский биохимик Томас Чек изучал созревание рРНК инфузории тетрахимены и хотел найти белок, вырезающий из неё интрон. Для контроля он поставил опыт вообще без белков — и интрон всё равно вырезался [9]. Чек долго проверял, не осталось ли в пробирке следов фермента, пока не убедился: интрон вырезает себя сам, РНК работает как фермент. Это было первое доказательство того, что катализатором может быть не только белок, но и РНК. В 1989 году Чек получил Нобелевскую премию вместе с Сидни Олтменом, открывшим другой РНК-фермент (подробнее — в статье «Рибозимы и гипотеза мира РНК»).

Самовырезающиеся интроны встречаются в генах митохондрий, хлоропластов, бактериофагов, некоторых бактерий. Считается, что интроны ядерных генов и сама сплайсосома произошли от таких самовырезающихся элементов: части интрона «переехали» в отдельные малые РНК сплайсосомы.

19. Альтернативный сплайсинг: один ген — много белков

Экзоны пре-иРНК не обязательно сшиваются одним способом. При альтернативном сплайсинге некоторые экзоны в одних случаях включаются в иРНК, в других вырезаются вместе с соседними интронами. Поэтому из одной пре-иРНК получаются разные зрелые иРНК и разные белки. В разных тканях и на разных этапах развития один и тот же ген может «собираться» по-разному.

Пример — ген кальцитонина. В щитовидной железе из его пре-иРНК собирается иРНК гормона кальцитонина, снижающего содержание кальция в крови, а в нейронах за счёт других экзонов — иРНК совсем другого белка, пептида, расширяющего сосуды. Рекорд принадлежит гену Dscam плодовой мушки: благодаря выбору из нескольких групп взаимоисключающих экзонов он теоретически может дать 38 016 разных белков — больше, чем всех генов мушки [10]. Эти белки работают как «метки», с помощью которых отростки нейронов отличают «своих» от «чужих».

У человека альтернативному сплайсингу подвергаются около 95 % генов, состоящих из нескольких экзонов [11]. Это одна из причин, почему при сравнительно небольшом числе генов — около 20 тысяч, почти столько же, сколько у червя нематоды, — организм человека производит гораздо больше разных белков.

Важно: при альтернативном сплайсинге порядок экзонов не меняется — они всегда идут в той же последовательности, что и в гене; меняется лишь набор включённых экзонов.

20. Когда сплайсинг ошибается: болезни и лекарства

Сплайсинг требует точного узнавания границ интронов, и мутации, нарушающие эти сигналы, вызывают тяжёлые болезни. По оценкам, заметная доля наследственных болезней человека связана не с изменением кодонов, а с нарушением сплайсинга.

• Бета-талассемия — наследственное малокровие, при котором не хватает β-цепей гемоглобина. У многих больных мутация лежит в интроне гена β-глобина: она создаёт ложный сигнал сплайсинга, часть интрона попадает в иРНК, рамка считывания сбивается, и белок не синтезируется.
• Спинальная мышечная атрофия — тяжёлая болезнь детей, при которой гибнут двигательные нейроны спинного мозга. Её причина — отсутствие работающего гена SMN1. У человека есть почти такой же ген SMN2, но из-за замены одного нуклеотида при его сплайсинге обычно выпадает экзон 7, и белок получается нестабильным.

Понимание сплайсинга позволило создать новые лекарства. Препарат нусинерсен — короткая искусственная цепочка нуклеотидов, комплементарная участку пре-иРНК гена SMN2. Связываясь с ним, она закрывает сигнал, из-за которого вырезается экзон 7, и ген начинает давать полноценный белок. В клинических испытаниях дети, получавшие препарат, чаще осваивали движения и реже погибали, чем дети из контрольной группы [12]. Это одно из первых лекарств, которое исправляет не белок и не ген, а созревание РНК.

21. Сколько РНК в клетке

Если выделить всю РНК клетки, окажется, что примерно 80 % её массы — рибосомные РНК, около 15 % — транспортные и лишь несколько процентов — информационные. Причина в том, что рРНК и тРНК живут долго и нужны в огромных количествах: в клетке млекопитающего около 10 миллионов рибосом, а значит, и столько же молекул каждой рРНК. иРНК же разнообразны, но каждая из них представлена немногими копиями — от единиц до нескольких тысяч на клетку — и обновляется гораздо быстрее.

Отсюда и огромная нагрузка на гены рРНК. Чтобы каждые сутки делящаяся клетка удвоила число рибосом, её гены рРНК должны транскрибироваться почти непрерывно и с максимальной плотностью ферментов. Поэтому генов рРНК так много — сотни копий, — и поэтому ядрышко, где они работают, так заметно в ядре активной клетки.

В одной клетке млекопитающего одновременно присутствуют сотни тысяч молекул иРНК, транскрибированных примерно с десяти тысяч разных генов. Большинство этих генов — «гены домашнего хозяйства», работающие во всех клетках: гены ферментов гликолиза, рибосомных белков, белков цитоскелета. Меньшая часть — тканеспецифичные гены, которые и отличают нейрон от клетки печени.

22. Редактирование РНК

Обычно иРНК в точности соответствует экзонам гена. Но иногда клетка после транскрипции изменяет отдельные нуклеотиды иРНК, — это называют редактированием РНК.

• Белок аполипопротеин B, переносящий жиры в крови, синтезируется в двух вариантах с одного гена. В печени иРНК не изменяется, и образуется длинный белок. В клетках кишечника особый фермент превращает в середине иРНК один цитозин в урацил: кодон ЦАА превращается в стоп-кодон УАА, и синтезируется белок вдвое короче, приспособленный для переноса пищевых жиров.
• В нервных клетках другой фермент превращает некоторые аденины иРНК в нуклеотид, который рибосома читает как гуанин. Так меняются свойства ионных каналов синапсов; без такого редактирования у мышей развиваются судороги.
• Рекордсмены — трипаносомы, возбудители сонной болезни. В иРНК их митохондрий вставляются и удаляются сотни урацилов, и лишь после этого иРНК приобретает смысл. Нуклеотиды вставляются по «подсказке» малых направляющих РНК, комплементарных отредактированной иРНК.

Редактирование РНК — ещё один способ получить с одного гена несколько белков, наряду с альтернативным сплайсингом.

23. Выход иРНК из ядра и её судьба

Зрелая иРНК, связанная с белками, выходит из ядра в цитоплазму через ядерные поры — крупные белковые комплексы в ядерной оболочке. Белки, сопровождающие иРНК, служат «пропуском»: они присоединяются к молекуле на разных стадиях созревания, и пора пропускает только иРНК с полным набором таких меток. Незрелые и дефектные молекулы задерживаются в ядре и разрушаются. Ядерная оболочка работает как отдел технического контроля.

Проверка продолжается и в цитоплазме. Если в иРНК из-за мутации или ошибки сплайсинга оказался преждевременный стоп-кодон, такая молекула узнаётся при первой же трансляции и разрушается. Так клетка защищается от синтеза укороченных белков, которые могли бы мешать работе нормальных.

Срок жизни иРНК у эукариот различен: от нескольких минут у иРНК регуляторных белков, которые нужны лишь короткое время, до многих часов и дней у иРНК «долгоиграющих» белков. Например, иРНК гемоглобина в созревающих эритроцитах живёт несколько дней: ядро у эритроцита человека к тому времени уже утрачено, и клетка синтезирует гемоглобин по запасённым иРНК. Регуляция срока жизни иРНК — один из способов управлять количеством белка.

24. Созревание рРНК и тРНК

Созревают не только иРНК. Гены рРНК у эукариот многократно повторены и транскрибируются РНК-полимеразой I в ядрышке. Сначала образуется длинный предшественник, из которого вырезаются три молекулы рРНК разной длины; четвёртую, короткую 5S рРНК синтезирует РНК-полимераза III вне ядрышка. Многие нуклеотиды рРНК химически изменяются: к ним присоединяются метильные группы, урацил превращается в псевдоуридин. Изменения направляют сотни малых РНК ядрышка, находящие нужные места по принципу комплементарности. Здесь же, в ядрышке, рРНК соединяются с рибосомными белками, поступившими из цитоплазмы, и образуют большую и малую субъединицы рибосом, которые выходят через поры в цитоплазму.

Предшественники тРНК, синтезированные РНК-полимеразой III, тоже обрабатываются: у них отрезаются лишние концевые участки, у некоторых вырезаются интроны, многие нуклеотиды изменяются (в тРНК встречается больше сотни разных изменённых нуклеотидов), а к 3′-концу присоединяется последовательность ЦЦА — к ней позже будет присоединена аминокислота. Лишний участок с 5′-конца предшественника тРНК отрезает фермент, каталитическая часть которого — РНК (это и был рибозим, открытый Олтменом).

25. Транскрипция в митохондриях и пластидах

Кольцевая ДНК митохондрий человека — всего около 16,5 тысячи пар нуклеотидов — транскрибируется собственной РНК-полимеразой, похожей на фермент бактериофагов. Устроено это очень экономно. Обе цепи митохондриальной ДНК транскрибируются почти целиком, каждая со своего промотора, в виде длинных РНК, содержащих сразу много генов. Гены белков и рРНК разделены в этих длинных РНК генами тРНК. Когда тРНК вырезаются, длинная молекула распадается на отдельные иРНК и рРНК, — тРНК служат «знаками препинания». Принцип асимметричности при этом соблюдается: каждый ген считывается только с одной цепи, просто одни гены лежат на одной цепи, другие — на другой.

У некоторых иРНК митохондрий человека стоп-кодона в гене даже нет целиком: после присоединения поли(А)-хвоста из последнего У или УА и аденинов хвоста образуется стоп-кодон УАА. Генетический код митохондрий тоже немного отличается от стандартного: например, кодон УГА в них кодирует триптофан, а не служит стоп-сигналом (подробнее — в статье «Генетический код и его свойства»).

В пластидах работают две РНК-полимеразы: одна похожа на бактериальную и закодирована в ДНК самой пластиды, другая похожа на фермент бактериофагов и закодирована в ядре. Это следы сложной истории: пластиды произошли от цианобактерий, а многие их гены за сотни миллионов лет переместились в ядро клетки-хозяина.

26. Транскрипция у архей: ключ к происхождению эукариот

Археи похожи на бактерий: у них нет ядра, кольцевая хромосома, транскрипция сопряжена с трансляцией, многие иРНК полицистронные. Но когда в 1980–1990-х годах изучили их РНК-полимеразу, оказалось, что она устроена гораздо сложнее бактериальной и по составу субъединиц очень похожа на РНК-полимеразу II эукариот. Промоторы архей содержат участок, похожий на ТАТА-бокс, и узнаёт его белок, родственный эукариотическому белку, связывающему ТАТА-бокс. Иначе говоря, «внутренняя механика» транскрипции у архей — эукариотическая, а «упаковка» — бактериальная.

Это одно из важнейших свидетельств того, что ядерная часть эукариотической клетки произошла от архей, а митохондрии и пластиды — от бактерий. Сегодня наиболее вероятными родственниками предков эукариот считают архей группы Асгард, найденных в донных осадках океана (подробнее — в статье «Эндосимбиоз и симбиогенез»).

27. Как узнали, что РНК синтезируется в ядре

В 1950–1960-х годах место синтеза РНК определили методом радиоактивной метки. Урацил входит только в РНК, а не в ДНК, поэтому если дать клеткам на несколько минут уридин, меченный радиоактивным изотопом водорода — тритием, — метка окажется только в только что синтезированной РНК. Клетки фиксировали, покрывали фотоэмульсией и через несколько недель проявляли: над местами с меткой появлялись чёрные зёрна серебра. Этот метод называется авторадиографией.

Если клетки фиксировали сразу после короткой метки, зёрна лежали почти только над ядром, особенно над ядрышком. Если же после метки клеткам давали обычный, немеченый уридин и фиксировали через час-другой, метка постепенно перемещалась в цитоплазму. Значит, РНК синтезируется в ядре, а затем выходит в цитоплазму. Этот приём — короткая метка, а затем «прогон» немеченым веществом — один из классических методов биологии: с его помощью проследили и путь секретируемых белков через ЭПС и комплекс Гольджи.

28. Транскриптом: что клетка переписывает

Совокупность всех РНК, синтезируемых в клетке в данный момент, называют транскриптомом. Современные методы позволяют прочитать её целиком: из клетки выделяют все РНК, обратной транскриптазой переписывают их в ДНК и секвенируют. Так узнают, какие гены работают в данной клетке, ткани, на данной стадии развития или при болезни.

Исследования транскриптома принесли неожиданность. Гены белков занимают лишь около 1,5 % генома человека, но транскрибируется гораздо большая его часть. Клетка синтезирует множество некодирующих РНК: длинных и коротких, регуляторных, а также РНК неизвестного назначения. Сколько из них действительно нужны клетке, а сколько — «шум» транскрипции, учёные спорят до сих пор.

Транскриптомы разных клеток одного организма сильно различаются. В клетках-предшественниках эритроцитов большую долю иРНК составляют иРНК глобинов, в клетках поджелудочной железы — иРНК пищеварительных ферментов и инсулина, в клетках хрусталика — иРНК кристаллинов. Именно различия транскриптомов делают клетки с одинаковой ДНК разными. Для медицины это стало инструментом диагностики: по набору работающих генов можно определить тип опухоли и подобрать лечение.

29. Вещества, подавляющие транскрипцию

Бледная поганка коварна: около 30 граммов гриба — то есть одной шляпки — может хватить, чтобы погубить взрослого человека, а яд не разрушается ни при варке, ни при сушке. Первые признаки отравления появляются лишь через 6–24 часа, а поражение печени развивается на 2–4-й день, когда клетки печени исчерпывают запас иРНК и белков.

30. Итог: путь от гена к готовой иРНК

1. У эукариот общие факторы транскрипции и белки-регуляторы садятся на промотор и привлекают РНК-полимеразу II; у бактерий промотор узнаёт сигма-фактор.
2. Фермент расплетает ДНК, образуя транскрипционный пузырь, и начинает синтез РНК без затравки.
3. РНК-полимераза движется по матричной цепи от 3′ к 5′ и наращивает РНК от 5′ к 3′ по принципу комплементарности.
4. Уже во время синтеза к 5′-концу присоединяется кэп, сплайсосома вырезает интроны.
5. По сигналу ААУААА РНК разрезается, присоединяется поли(А)-хвост, фермент отделяется от ДНК.
6. Зрелая иРНК с белками-«пропусками» выходит через ядерную пору в цитоплазму, где её ждут рибосомы (подробнее — в статье «Трансляция»).

31. Частые ошибки

• «При транскрипции синтезируется только иРНК». Транскрипцией синтезируются все виды РНК: иРНК, рРНК, тРНК и малые РНК.
• «Транскрипция идёт в цитоплазме эукариот». Транскрипция ядерных генов идёт в ядре; в цитоплазме — только трансляция (и транскрипция ДНК митохондрий и пластид внутри этих органоидов).
• «Для транскрипции нужна затравка». РНК-полимераза начинает цепь сама; затравка нужна ДНК-полимеразе.
• «Кодирующая цепь служит матрицей». Матрицей служит матричная (транскрибируемая) цепь; кодирующая цепь совпадает с иРНК по последовательности.
• «При сплайсинге вырезаются экзоны». Вырезаются интроны, а экзоны сшиваются.
• «При альтернативном сплайсинге экзоны переставляются». Порядок экзонов не меняется; меняется набор включённых экзонов.
• «У бактерий иРНК проходит сплайсинг». Гены белков бактерий, как правило, не содержат интронов, и иРНК сразу пригодна для трансляции.
• «ДНК после транскрипции разрушается или изменяется». ДНК остаётся неизменной и может транскрибироваться снова.

32. Интересные факты

• Бреннер и Жакоб доказали существование иРНК за несколько недель летом 1960 года, а результаты получили лишь в последние дни перед отъездом Жакоба.
• Отец и сын Корнберги получили Нобелевские премии за изучение двух главных ферментов матричного синтеза — ДНК-полимеразы (1959) и РНК-полимеразы (2006).
• Рекордсмен по числу белков от одного гена — ген Dscam плодовой мушки: теоретически 38 016 вариантов.
• Экзоны составляют лишь несколько процентов длины гена человека; остальное — интроны.
• Частицы сплайсосомы открыли благодаря антителам из сыворотки больных волчанкой.
• Первый в истории РНК-фермент — интрон, вырезающий сам себя, — нашли случайно в контрольном опыте без белков.
• Шляпки одной бледной поганки может хватить, чтобы погубить взрослого человека: её яд останавливает РНК-полимеразу II.
• У некоторых иРНК митохондрий человека стоп-кодон достраивается только при присоединении поли(А)-хвоста.
• Хромосомы типа «ламповых щёток» в ооцитах тритона видны в обычный световой микроскоп: каждая их петля — работающий ген.
• Около 80 % РНК клетки — рибосомные РНК, а информационных — лишь несколько процентов.
• В ооцитах земноводных гены рРНК дополнительно умножаются в тысячи раз, и в одном ооците шпорцевой лягушки запасается около триллиона рибосом для будущего зародыша.
• Инфузория тетрахимена принесла биологии две Нобелевские премии: за самовырезающийся интрон (1989) и за открытие теломеразы (2009).
• Гены бактерий записаны так плотно, что промотор одного гена иногда лежит внутри соседнего гена.

33. Частые вопросы

Чем транскрипция отличается от репликации?

При репликации копируются обе цепи всей ДНК, продукт — ДНК, процесс идёт один раз за клеточный цикл и требует затравки. При транскрипции копируется одна цепь отдельного гена, продукт — РНК (с урацилом вместо тимина), затравка не нужна, а сам процесс идёт постоянно и регулируется потребностями клетки.

Как РНК-полимераза узнаёт, какую цепь копировать?

По промотору. Промотор несимметричен: фермент садится на него в одной определённой ориентации и потому может двигаться только в одну сторону, считывая ту цепь, которая для неё идёт от 3′- к 5′-концу. Промоторы разных генов могут быть направлены в разные стороны, поэтому матричными для них оказываются разные цепи.

Может ли один ген транскрибироваться одновременно много раз?

Да. На активном гене один за другим движутся десятки молекул РНК-полимеразы, каждая синтезирует свою молекулу РНК. На снимках Миллера это выглядит как «ёлочка» из нитей РНК разной длины.

Зачем нужны интроны, если их всё равно вырезают?

Интроны позволяют альтернативный сплайсинг — получение разных белков с одного гена. Они облегчают и эволюцию: новые белки возникают при перетасовке экзонов, кодирующих отдельные функциональные участки белков. В некоторых интронах находятся регуляторные участки и гены малых РНК. Наконец, сплайсинг повышает эффективность выхода иРНК из ядра и её трансляции.

Чем пре-иРНК отличается от зрелой иРНК?

Пре-иРНК — первичный транскрипт: копия гена целиком, вместе с интронами. Зрелая иРНК короче: интроны вырезаны, к 5′-концу присоединён кэп, к 3′-концу — поли(А)-хвост. Только зрелая иРНК выходит из ядра и транслируется.

Почему у бактерий транскрипция и трансляция идут одновременно, а у эукариот нет?

У бактерий нет ядерной оболочки, и рибосомы имеют доступ к иРНК сразу же, как только её 5′-конец выходит из РНК-полимеразы. У эукариот транскрипция идёт в ядре, а рибосомы находятся в цитоплазме; иРНК сначала созревает и только потом выходит через поры.

Бывает ли транскрипция без ДНК?

Синтез РНК на матрице РНК — репликация РНК — ведут РНК-репликазы РНК-содержащих вирусов: гриппа, кори, коронавирусов. Обычно его не называют транскрипцией, но у некоторых вирусов синтез иРНК на матрице вирусной РНК так и называют — транскрипцией вирусного генома.

Откуда клетка знает, где кончается ген?

По терминатору. У бактерий это последовательность, при транскрипции которой в РНК образуется «шпилька» с цепочкой урацилов, или место посадки белка Rho. У эукариот сигнал ААУААА в РНК указывает место разрезания и присоединения поли(А)-хвоста, после чего фермент снимается с ДНК.

Почему в клетке так мало иРНК по сравнению с рРНК?

Рибосомы нужны в огромных количествах и служат долго, поэтому рРНК составляют около 80 % всей РНК клетки. иРНК очень разнообразны, но каждой из них немного, и живут они недолго: клетка постоянно обновляет их, подстраивая синтез белков под свои потребности.

Чем пуфы политенных хромосом связаны с транскрипцией?

Пуф — участок политенной хромосомы, где ДНК разрыхлена и активно транскрибируется. Появление и исчезновение пуфов показывает, какие гены включаются и выключаются, например, под действием гормона линьки экдизона.

Почему транскрипцию называют первым этапом биосинтеза белка, если она синтезирует и рРНК с тРНК?

Для генов белков транскрипция действительно первый этап: без иРНК трансляция невозможна. Но рРНК и тРНК тоже нужны для биосинтеза белка — из рРНК построены рибосомы, тРНК доставляют аминокислоты. Так что транскрипция обеспечивает трансляцию всеми видами РНК сразу.

34. ЕГЭ

В части 1 тему проверяют задания на выбор характеристик транскрипции, на соответствие «процесс — характеристика» (транскрипция, трансляция, репликация), на последовательность событий биосинтеза белка. Во второй части — задачи линии 27, где надо правильно определить матричную цепь, и вопросы на объяснение («Почему иРНК эукариот короче гена?», «Почему у прокариот транскрипция и трансляция сопряжены?»).

Разбор типичного задания второй части

Задание: «Объясните, почему зрелая иРНК эукариот короче участка ДНК, с которого она транскрибирована. Приведите не менее трёх элементов ответа». Полный ответ: 1) гены эукариот состоят из экзонов и интронов; 2) при транскрипции синтезируется пре-иРНК — копия всего гена, вместе с интронами; 3) при созревании (сплайсинге) интроны вырезаются, а экзоны сшиваются, поэтому зрелая иРНК короче; 4) кроме того, транскрибируется не вся ДНК, а участок от промотора до терминатора, и промотор в РНК не переписывается.

35. Для олимпиад

Время транскрипции. Ген длиной 30 000 пар нуклеотидов транскрибируется со скоростью 30 нуклеотидов в секунду: 30 000 / 30 = 1000 с ≈ 17 мин. Ген дистрофина (2,2 · 10⁶ пар нуклеотидов) при скорости около 40 нуклеотидов в секунду: 2,2 · 10⁶ / 40 = 55 000 с ≈ 15 ч. Это дольше, чем длится клеточный цикл быстро делящихся клеток. Неудивительно, что работает этот ген в основном в неделящихся клетках — мышечных волокнах.

Комбинаторика альтернативного сплайсинга. Ген Dscam содержит четыре группы взаимоисключающих экзонов: 12, 48, 33 и 2 варианта; в каждую иРНК попадает ровно по одному экзону из каждой группы. Число вариантов: 12 · 48 · 33 · 2 = 38 016.

Сколько РНК на одном гене. Если РНК-полимеразы на гене длиной 6000 нуклеотидов идут с интервалом около 100 нуклеотидов, на гене одновременно находятся около 60 ферментов и 60 растущих РНК разной длины — как на «ёлочке» Миллера. При скорости 50 нуклеотидов в секунду новая РНК сходит с гена каждые 2 с.

Сдвиг рамки при ошибке сплайсинга. Если экзон длиной 100 нуклеотидов будет пропущен, рамка считывания следующих экзонов сдвинется на 100 mod 3 = 1 нуклеотид, и белок после места пропуска будет полностью искажён. Если же длина пропущенного экзона кратна трём (например, 99), белок лишь потеряет 33 аминокислоты. Поэтому экзоны, которые часто пропускаются при альтернативном сплайсинге, обычно имеют длину, кратную трём.

36. Задания с разбором

Задание 1

Выберите три верных ответа. Транскрипция: 1) синтез РНК на матрице ДНК; 2) идёт на рибосомах; 3) осуществляется РНК-полимеразой; 4) требует РНК-затравки; 5) у эукариот идёт в ядре; 6) копирует обе цепи гена.

Задание 2

Фрагмент матричной (транскрибируемой) цепи ДНК: 3′-ТАЦГГТАТЦ-5′. Определите последовательность иРНК и фрагмента полипептида.

Задание 3

Фрагмент кодирующей (смысловой) цепи ДНК: 5′-АТГААГЦТТ-3′. Определите последовательность иРНК, матричной цепи ДНК и полипептида.

Задание 4

Установите соответствие между процессами созревания пре-иРНК и их характеристиками. Характеристики: А) присоединение изменённого гуанилового нуклеотида к 5′-концу; Б) присоединение сотен адениловых нуклеотидов к 3′-концу; В) вырезание интронов; Г) ведёт сплайсосома; Д) повышает устойчивость иРНК, работая как «таймер» её жизни. Процессы: 1) кэпирование; 2) полиаденилирование; 3) сплайсинг.

Задание 5

Найдите ошибки в тексте. (1) Транскрипция — первый этап реализации наследственной информации. (2) При транскрипции синтезируется только иРНК. (3) РНК-полимераза присоединяется к промотору. (4) Матрицей служат обе цепи ДНК гена. (5) У эукариот транскрипция ядерных генов идёт в ядре.

Задание 6

Установите последовательность событий транскрипции и созревания иРНК у эукариот: А) выход иРНК через ядерную пору; Б) присоединение РНК-полимеразы к промотору; В) расплетание участка ДНК; Г) вырезание интронов; Д) синтез пре-иРНК.

Задание 7

Выберите три верных ответа. Для прокариот характерно: 1) сопряжённость транскрипции и трансляции; 2) сплайсинг иРНК; 3) полицистронные иРНК; 4) одна РНК-полимераза для всех видов РНК; 5) три разные РНК-полимеразы в ядре; 6) кэпирование иРНК.

Задание 8

Объясните, в чём состоит принцип асимметричности транскрипции и почему одна и та же цепь ДНК может быть матричной для одного гена и кодирующей для другого.

Задание 9

Установите соответствие между РНК-полимеразами эукариот и их продуктами. Продукты: А) пре-иРНК; Б) тРНК; В) большой предшественник рРНК; Г) 5S рРНК. Ферменты: 1) РНК-полимераза I; 2) РНК-полимераза II; 3) РНК-полимераза III.

Задание 10

Ген эукариот содержит 4 экзона длиной 150, 90, 210 и 120 нуклеотидов и 3 интрона длиной 800, 1200 и 600 нуклеотидов. Сколько нуклеотидов в пре-иРНК (без учёта кэпа, хвоста и некодирующих концевых участков) и в кодирующей части зрелой иРНК? Сколько аминокислот кодирует ген, если в экзонах нет некодирующих участков, а последний кодон — стоп-кодон?

Задание 11

Выберите три верных ответа. Сплайсинг: 1) вырезание интронов; 2) сшивание экзонов; 3) идёт на рибосомах; 4) осуществляется сплайсосомой; 5) характерен для иРНК бактерий; 6) меняет порядок экзонов.

Задание 12

Почему антибиотик рифампицин подавляет размножение бактерий, но почти не влияет на клетки человека?

Задание 13

Установите соответствие между характеристиками и цепями ДНК. Характеристики: А) служит матрицей для РНК; Б) совпадает по последовательности с иРНК (Т вместо У); В) комплементарна иРНК; Г) по ней принято записывать ген в базах данных; Д) считывается РНК-полимеразой от 3′ к 5′. Цепи: 1) матричная (транскрибируемая); 2) кодирующая (смысловая).

Задание 14

Объясните, почему ядерная оболочка позволяет эукариотической клетке контролировать качество иРНК.

Задание 15

Выберите три верных ответа. Кэп: 1) присоединяется к 5′-концу иРНК; 2) защищает иРНК от разрушения; 3) состоит из сотен адениловых нуклеотидов; 4) участвует в узнавании иРНК рибосомой; 5) присоединяется к 3′-концу; 6) кодирует первую аминокислоту.

Задание 16

Как с помощью альтернативного сплайсинга один ген может кодировать несколько белков? Приведите пример.

Задание 17

Матричная цепь ДНК записана в направлении 5′ → 3′: 5′-ЦАТГЦЦЦАТ-3′. Определите иРНК (запишите от 5′-конца) и полипептид.

Задание 18

Почему отравление бледной поганкой проявляется не сразу, а поражение печени нарастает через несколько дней?

Задание 19 (олимпиадное)

Ген содержит 5 экзонов. Экзоны 1 и 5 входят во все иРНК, экзоны 2, 3 и 4 могут независимо друг от друга включаться или пропускаться. Сколько разных иРНК теоретически может дать ген? Длины экзонов 2, 3 и 4 — 90, 100 и 75 нуклеотидов. Пропуск какого из них приведёт к сдвигу рамки считывания? Как это скажется на белке?

Задание 20 (олимпиадное)

В опыте Миллера на «ёлочке» гена рРНК видно, что нити РНК у одного конца гена короткие, а у другого — длинные. О чём это говорит? Длина гена — 13 000 нуклеотидов, на нём одновременно работают 100 РНК-полимераз, расположенных равномерно. Какая средняя длина нитей РНК? Сколько нуклеотидов приходится на один фермент?

Литература

1. Brenner S., Jacob F., Meselson M. An unstable intermediate carrying information from genes to ribosomes for protein synthesis // Nature. 1961. Vol. 190. P. 576–581.
2. Alberts B., Heald R., Johnson A., Morgan D., Raff M., Roberts K., Walter P. Molecular Biology of the Cell. 7th ed. New York: W. W. Norton, 2022.
3. Burgess R. R., Travers A. A., Dunn J. J., Bautz E. K. F. Factor stimulating transcription by RNA polymerase // Nature. 1969. Vol. 221. P. 43–46.
4. Cramer P., Bushnell D. A., Kornberg R. D. Structural basis of transcription: RNA polymerase II at 2.8 Ångström resolution // Science. 2001. Vol. 292. P. 1863–1876.
5. Pribnow D. Nucleotide sequence of an RNA polymerase binding site at an early T7 promoter // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 1975. Vol. 72. P. 784–788.
6. Miller O. L., Beatty B. R. Visualization of nucleolar genes // Science. 1969. Vol. 164. P. 955–957.
7. Berget S. M., Moore C., Sharp P. A. Spliced segments at the 5′ terminus of adenovirus 2 late mRNA // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 1977. Vol. 74. P. 3171–3175.
8. Chow L. T., Gelinas R. E., Broker T. R., Roberts R. J. An amazing sequence arrangement at the 5′ ends of adenovirus 2 messenger RNA // Cell. 1977. Vol. 12. P. 1–8.
9. Kruger K., Grabowski P. J., Zaug A. J., Sands J., Gottschling D. E., Cech T. R. Self-splicing RNA: autoexcision and autocyclization of the ribosomal RNA intervening sequence of Tetrahymena // Cell. 1982. Vol. 31. P. 147–157.
10. Schmucker D., Clemens J. C., Shu H. et al. Drosophila Dscam is an axon guidance receptor exhibiting extraordinary molecular diversity // Cell. 2000. Vol. 101. P. 671–684.
11. Pan Q., Shai O., Lee L. J., Frey B. J., Blencowe B. J. Deep surveying of alternative splicing complexity in the human transcriptome by high-throughput sequencing // Nature Genetics. 2008. Vol. 40. P. 1413–1415.
12. Finkel R. S., Mercuri E., Darras B. T. et al. Nusinersen versus sham control in infantile-onset spinal muscular atrophy // New England Journal of Medicine. 2017. Vol. 377. P. 1723–1732.
13. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.